CN101378088B - 具有选择性构案的透明的导电敷层的光电池和相关方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有选择性构案的透明的导电敷层的光电池和相关方法。所述光电池包括向阳表面上的选择性构图的、透明的、导电的敷层(TCC)。该选择性构图的TCC与所述向阳表面上的至少一些导电性良好的网格线相邻。所述半导体晶片的向阳表面的一部分没有被网格线或者TCC覆盖。此处也公开了制造光电池的方法,其中所述光电池包括向阳表面上的选择性构图的、透明的、导电的敷层(TCC)。所述方法包括模拟所述半导体、所述网格线、以及所述TCC的光学和电学性能以确定导致所述光电池相对较低的功率损失的TCC图案的步骤。

Description

具有选择性构案的透明的导电敷层的光电池和相关方法
技术领域
本发明涉及一种光电池,更具体的说,涉及一种具有透明导电敷层的光电池。
背景技术
聚集光电池(CPV)使太阳能成本与其他能源竞争具有很大的潜力。在CPV中,通过使用一些反射和/或折射光学器件,从较大的面积上收集太阳光并将其聚集在相对较小的太阳能电池区域。太阳能电池包括将太阳光转化为电能的半导体。太阳光的聚集增大了太阳能的电池的效率并减小了产生给定功率输出所需的(昂贵)太阳能电池材料的体积。在这种系统中,可以使用很高效率(以及高成本)的多结电池,从而改善而每单位能量的总的系统成本。
然而,在聚集下的半导体中产生的高电流密度会导致显著的电阻功率损耗,这会抵消由聚集带来的效率增加。用多结电池,厚的、密集的银或者其他高导电材料的网格线可以设置在电池的向阳表面以收集电流。例如,图1示出了在其向阳表面14上具有网格线12的的网络的半导体晶片10的例子。太阳光16抵达没有被网格线遮蔽的区域中的半导体10。在半导体材料10内,电流产生并朝向网格线流动进行集中,如图1中的电流线18所示。由于电流流向网格线12,半导体10中的电流密度随着接近网格线12而增大。所述网格线12密集布置以使聚集的太阳光条件下高电流密度引起的电阻功率损耗(Ploss~I2R)最小化。
密集的网格线12减小了电阻功率损耗,但是,由于网格线12光学上不透明,因此它们阻止了太阳光到达半导体表面14的一部分。通常,网格线12覆盖总表面面积的5-10%。网格线之间最有利的间隔因此受电阻功率损耗和遮蔽(遮掩)损失之间的权衡的影响。如果金属网格线间距可以增大,则可以增加电池效率。
在用于CPV系统的高聚集度(>500x)下,金属网格线的遮蔽限制了太阳能电池的性能。超过40%的多结效率的现有世界记录实际上是在非常低的聚集度(concentration)(<250x)下获得的。由于遮蔽,效率在更高的聚集度下降低。因此,遮蔽的减少可以有助于在更高的聚集度下的效率。
有时给太阳能电池的向阳表面施加透明导电敷层(TCCs)。TCCs提供导电性(减小电阻)同时允许太阳光穿过它们到达下面的半导体。TCCs以地毯方式施加到每个太阳能电池的整个向阳表面。目前所使用的TCCs的例子包括透明导电氧化物(TCOs),例如铟-锡氧化物(ITO)或氧化锌。TCCs的透光率一般为80-95%。
目前可用的许多TCCs受限制于它们的导电性和透光率两者。因此,它们主要用于一些低成本、低效率的太阳能电池技术。TCCs目前仅对于比CPV中使用的高效电池具有更高电阻性和光透射损失较为不敏感的电池有净收益。当用在高效多结电池中时,TCC的地毯式敷层减小了电阻功率损耗,但是引入了光学透射损失而导致得不偿失。
发明内容
本发明光电池和相关方法的实施例具有若干特点,这些特点中没有任何单独一个单独导致它们的预期属性。在不限制如随后权利要求所表述的本发明实施例的范围的情况下,现在将简要论述它们更多的显著特性。在考虑了以下论述后,并且特别是在阅读了标题为“具体实施方式”的部分之后,将能够理解本发明实施例的特征如何具有优势,这包括绝对电池效率的净提高。
本发明光电池和相关方法的一个方面包括认识到TCCs具有有利的导电性,但是具有不利的部分不透明性。因此,有理的是利用TCC的导电性同时限制由TCC的部分遮光性产生的不利影响。
本发明光电池和相关方法的一个实施例包括用以用在聚集光电(CPV)系统中以吸收太阳辐射能并产生电能的光电池。所述光电池包括具有向阳表面的半导体晶片。所述晶片的向阳表面包括网格线的网络和选择性构图的、透明的导电敷层(TCC)。所述选择性构图的TCC与至少一些网格线邻接。
本发明光电池和相关方法的另一个实施例包括制造用以用在聚集光电(CPV)系统中使用的光电池的方法。所述方法包括的步骤为:在半导体晶片的向阳表面上布设网格线的网络;在所述向阳表面上布设选择性构图的、透明的导电性敷层(TCC);以及模拟所述半导体、所述网格线、以及所述TCC的光学和电学性能以确定用于TCC的导致所述光电池的低相对功率损耗的图案。所述半导体晶片的一部分向阳表面没有被所述网格线或者TCC所覆盖。
本实施例的特点、功能可以在不同的实施例中独立实现,或者也可以结合在其他实施例中。
附图说明
现在将详细论述本发明光电池和相关方法的实施例,并且重点放在强调所突出的有利特点。这些实施例描绘了附图中示出的新颖并且非明显的光电池和相关方法,其中所述附图仅仅是为了说明的目的。这些附图包括下面的图,其中相同的标记表示相同的部件:
图1是包括导电网格线的网络的现有光电池的一部分的顶视透视图;
图2是包括导电网格线的网络和选择性构图的、透明的导电敷层的本发明光电池的一个实施例的一部分的顶视透视图;
图3是曲线图,示出了a)TCC的宽度和相对功率损耗之间的关系,以及b)TCC的宽度和网格线间距之间的关系;以及
图4是包括本发明光电池的CPV系统的示意性框图。
具体实施方式
图2示出了本发明光电池20的一个实施例的代表性部分。所述光电池20包括半导体晶片22。可以在半导体晶片22中使用的材料的非限制性示例包括AlGaInP、AlInP、GaInP、AlGaAs、GaInAs,GaAs、以及Ge。在一些实施例中,半导体晶片22的向阳表面24可以包括抗反射敷层(未示出)。因此,当用于指称半导体晶片22时,术语“表面”在这里被宽泛的用来包括裸露半导体材料和半导体晶片22上的任何敷层。
进一步参照图2,向阳表面24包括网格线(gridline)26的网络。所述网格线26可以包括高导电性材料或各种高导电性材料,比如各种金属。在一个实施例中,网格线26包括结合有用于与半导体24形成良好电阻接触的其他金属薄层的银。网格线26可以利用标准的光刻法进行构图并且通过标准的工艺比如蒸镀或溅射沉积在半导体24上。本领域的普通技术人员将能理解,其他的材料和工艺可用于网格线26。
光电池20还包括向阳表面24上的选择性构图的、透明的、导电敷层(TCC)28。在所示的实施例中,选择性构图的TCC28自网格线26延伸。TCC28与网格线26邻接并有效地形成其延伸部分。在通过单个网格线26截取的截面图中(图2),截面类似于颠倒的字母T,网格线26形成T的柄杆而TCC28自网格线26的两侧向外延伸。如本领域普通技术人员所理解的那样,本申请的附图不一定按比例绘制,并且在可选实施例中,网格线26和TCC的相对尺寸可以不同于图2中所示的那些。而且,在一些实施例中,TCC28可从每个网格线26伸出,而在其他的实施例中,TCC28可仅从选定的网格线26伸出。
在一些实施例中,TCC28是高透光的,但也是导电的。例如,TCC28可以是透明的导电氧化物(TCO),例如铟-锡氧化物(ITO)或者氧化锌。另外,TCC28可以形成为很薄的、半透明的金属层,比如银层。TCC28可以结合剥离、干法或湿法蚀刻工艺利用标准的光刻法构图以及通过标准的工艺比如蒸镀或溅射进行沉积。TCC28也可以与抗反射敷层(未示出)结合进行沉积。在这样的实施例中,TCC28和抗反射敷层可以融合或者整化为单一一层,或者它们可以占据不同的层。
如图2所示,光电池20包括一种新的接触方案来组合网格线26和TCC28。TCC28选择性地进行构图。在所示的实施例中,选择性的构图包括TCC28仅设置在网格线26附近。如上参照图1所述,在具有网格线的光电池的向阳表面上,电流向网格线流动。因此,电流密度在网格线附近最大,如图1中示出的电流线18所示。由高电流密度产生的电阻功率损耗(resistivepower loss)类似于交通堵塞。网格线是交通干道,而电子是试图进入交通干道的车辆。由于电子仅能在接近网格线的区域进入,因此这些电子在网格线附近堵塞并对其他也试图进入网格线的电子产生阻碍。将光电池20的TCC28设置在电流密度最大的区域增加了电子可以经由其“进入交通干道”的面积,如图2中的电流线30所示。增加电子的进入部位减小了电池20中的电阻功率损耗并提高了电池效率。
如图2所示,在本实施例中,TCC没有以地毯方式布设于半导体22上。而是,半导体表面24的远离网格线26的部分32被暴露。暴露部分32没有受到不利的透射损失,而涂覆的部分受到该损失。因此,本实施例有利的利用了TCC28的导电性同时限制了由TCC28的部分遮光性产生的不利影响。虽然TCC28在太阳光34的光透射方面产生了一些损失,但是获得了效率的净提高。图案化的TCC28也允许网格线26更宽低间隔开,这减小了网格线26的遮掩损失并且甚至进一步增大了电池的总效率。实验结果显示,通过引入图案化的TCC28,相应于TCC和金属网格线的电流限制下的1000x聚集度下,可以获得大于0.5%的绝对效率增加。这个增加比得上至少一年的典型多结太阳能电池的发展。
在一些实施例中,光电池20的半导体22、金属网格线26、以及TCC28的光学和电学性能的模拟可以用来确定导致光电池20的低相对功率损耗的网格线26和TCC的图案。例如,网格线26的间距以及TCC28每一部分的厚度和宽度可以通过模拟确定。模型输入的非限制例子包括照明强度、一个光照强度下的预期电流密度、半导体22的薄层电阻(sheet resistance)、网格线/半导体界面的接触电阻、网格线26的电阻率、网格线26的厚度、网格线26的宽度、网格线26的长度、TCC28的薄层电阻以及TCC28的透光度。这些输入可以用于计算下列非限制性损耗因素:源自作为网格线26之间的间距的函数的半导体22和图案化的TCC28的串联电阻导致的I2R功率损耗;源自作为网格线26之间的间距的函数的网格线/半导体界面的接触电阻的I2R功率损耗;源自作为网格线26之间的间距、网格线26的遮掩(掩蔽)和图案化的TCC28的遮掩(由于其受限的透射能力)的函数的网格线26串联电阻导致的I2R功率损失。这些损耗机理的总和产生了取决于带有图案化的TCC28的网格线26之间的间距的总的功率损耗。改变TCC8的宽度和间距揭示了相应于最低功率损耗的最佳间距和TCC宽度。
图3示出了a)TCC28的宽度和相对功率损耗之间的关系(曲线“A”),以及b)TCC28的宽度和网格线间距之间的关系(曲线“B”)。参照图3,没有TCC28(宽度=0)时,电池中的相对电阻功率损耗几乎为14%。增大TCC28的宽度减小了电阻功率损耗并允许网格线间距增大。然而,由于TCC28的光透射损失,在超过某点后TCC28覆盖范围的任何进一步增加是不利的。所示例子的最佳设计是TCC28具有大约70-μm的宽度以及大约220μm的网格间距。该种结构配置实现了相对功率损耗减少近乎2%,这对于40%的电池转变为增加0.8%的绝对效率。
光电池20可以配设于CPV系统36中,如图4的示意性框图所示。所示的CPV系统36包括用以收集太阳的辐射能量的太阳能收集器38。太阳能收集器38可以包括用以聚集阳光并将所聚集的太阳光聚焦在光电池20上的镜子和/或光学透镜。图示的CPV系统36还包括太阳跟踪装置40,该装置用以使得CPV系统36能够跟随太阳的空中光轨迹是的太阳能收集器38一直直接指向太阳。所示的CPV系统36还包括用以从光电池20消散热量的散热装置或散热器42。聚焦在光电池20上的聚集的阳光倾向于使电池升温,这将降低它们的效率。散热装置42将过量的热量去除以保持电池20高效的操作。本领域的普通技术人员将能够理解,所示出的CPV系统36仅仅是一个例子。本发明光电池20可以配设于任何CPV系统中,例如那些仅仅包括图4中所示组件中的一些组件的系统和/或包括图中没有示出的附加组件的系统。
上述描述提出了打算用于实现本光电池和相关方法的方式,以及制造和使用它们的工艺和方法的模式,在这样完整、清楚、简要、并且精确的描述下,使得任何属于本领域的技术人员能够制造和使用这样的光电池和相关方法。然而,由以上所述,这些光电池和相关方法很容易具有完全等价的变体和其他结构。因此,这些光电池和相关方法不限于所公开的特定实施例。相反,在一般由下述权利要求所表述的光电池和相关方法的精神和范围内,这些光电池和相关方法包括所有的变化和其他结构,其中所述权利要求特别指出并清楚地要求了光电池和相关方法的主题。

Claims (10)

1.一种光电池(20),用以用在聚集光电系统中以吸收太阳辐射能并产生电能,所述光电池包括:
具有向阳表面(24)的半导体晶片(22);
位于所述向阳表面(24)上的网格线(26)的网络,所述网格线的网络包括与所述向阳表面(24)接触的多个间隔的网格线(26);以及
位于所述向阳表面(24)上的选择性构图的、透明的导电敷层(28),所述选择性构图的导电敷层(28)限定多个导电敷层部分,所述多个导电敷层部分中的导电敷层部分与所述多个间隔的网格线(26)中的网格线邻接并从所述网格线的侧面向外延伸,并且覆盖所述多个间隔的网格线(26)的网格线之间的所述向阳表面(24)的区域,并留下所述向阳表面(24)的暴露区域,所述暴露区域未被所述多个间隔的网格线(26)和所述多个间隔的网格线(26)的每个网格线之间的所述多个导电敷层部分覆盖。
2.如权利要求1所述的光电池(20),其中所述多个间隔的网格线(26)包括多个高导电性并且光学上不透光的网格线。
3.如权利要求1所述的光电池(20),其中所述多个导电敷层部分(28)中的每个导电敷层部分包括从所述多个间隔的网格线(26)中的网格线的侧面向外延伸出的薄层。
4.如权利要求1所述的光电池(20),其中被所述导电敷层部分(28)覆盖的所述半导体晶片(22)的向阳表面(24)的区域相对于所述向阳表面的所述暴露区域具有高电流密度。
5.如权利要求1所述的光电池(20),结合用于包括太阳能收集器(38)的聚集光电系统(36),所述太阳能收集器(38)用以聚集阳光并将阳光聚焦在所述光电池(20)上。
6.如权利要求1所述的光电池(20),其中所述选择性构图的导电敷层(28)包括AlGaInP、AlInP、GaInP、AlGaAs、GaInAs、GaAs以及Ge中的至少一种。
7.一种用以用在聚集光电系统(36)中的光电池(20)的制造方法,所述方法包括下述步骤:
将网格线(26)的网络施加到半导体晶片(22)的向阳表面上,所述网格线的网络包括与所述向阳表面接触的多个间隔的网格线;
将选择性构图的、透明的导电敷层(28)施加在所述向阳表面(24)上,所述施加的选择性构图的导电敷层限定多个导电敷层部分,所述多个导电敷层部分中的导电敷层部分与所述多个间隔的网格线(26)中的网格线邻接并从所述网格线的侧面向外延伸,并且覆盖所述多个间隔的网格线(26)的网格线之间的所述向阳表面(24)的区域,并留下所述向阳表面(24)的暴露区域,所述暴露区域未被所述多个间隔的网格线(26)和所述多个间隔的网格线(26)的每个网格线之间的所述多个导电敷层部分覆盖;以及
模拟所述半导体晶片(22)、所述多个间隔的网格线(26)以及所述多个导电敷层部分的光学和电学特性,以确定导致所述光电池(20)的低相对功率损耗的多个导电敷层部分(28)的图案,并且多个导电敷层部分(28)的图案导致所述半导体晶片(22)的向阳表面(24)的一部分被所述多个间隔的网格线(26)或者所述多个导电敷层部分(28)所覆盖。
8.如权利要求7所述的方法,还包括:将所述光电池(20)与聚集光电系统(36)相结合,聚集光电系统包括太阳能收集器(38)、散热装置(42)以及太阳跟踪装置(40)中的至少一个。
9.如权利要求7所述的方法,其中所述多个导电敷层部分(28)中的每个导电敷层部分作为从所述多个网格线(26)中的网格线的侧面延伸出的薄层进行施加。
10.如权利要求7所述的方法,其中所述多个导电敷层部分(28)被施加到所述半导体晶片(22)向阳表面(24)的相对于所述向阳表面的所述暴露区域具有高电流密度的区域。
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